談防火涂料在鋼結構防火中的應用★

孫海明 楊魯生

(1．煙臺市萊山公路管理局，山東 煙臺 264003;2．濰坊市政工程建設處，山東 濰坊 261031)

鋼結構建筑憑借其自身強度高、空間小、自重低、工業(yè)化程度高、外觀時尚、施工進度快等優(yōu)點在工業(yè)廠房、高層建筑、大型體育場等領域得到了快速發(fā)展。隨著鋼結構在建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，鋼結構的防火問題也就成為建筑學者亟待解決的重大問題之一。鋼結構在高溫條件下直接煅燒一般只能承受15 min，煅燒后其結構強度會大幅降低，影響整個建筑的承重能力。若不對鋼結構的防火問題進行合理科學的防治則很有可能會對人民群眾的生命財產安全造成威脅，因此必須對鋼結構進行防火設計，延緩火勢蔓延，保護群眾的生命財產。目前比較常用的鋼結構防火方法有防火涂料保護法、防火板保護法、通水冷卻法等等，其中最為常用的方法為防火涂料法，防火涂料法施工簡單、粘結強度高、阻燃性好、裝飾性好，被廣泛應用到鋼結構建筑領域。上海東方明珠電視塔以及亞運會新建的體育場都采用了防火涂料保護法，在使用過程中表現出了良好的實用性。

1 防火涂料概述及其主要類型

防火涂料根據其特性又被稱為阻燃劑涂料，除了具有普通涂料都具有的防腐性、裝飾性以外，還具有不燃性和阻燃性，它能夠在建筑物或周邊環(huán)境發(fā)生火災時，有效的延滯火勢蔓延，起到防火作用，防止鋼結構在高溫作用下產生強度衰減，影響整個建筑的承載能力。鋼結構防火涂料在很大程度上對鋼結構起到了屏蔽作用，將其與火焰隔離開，我國防火涂料的研究起步較晚，開始于20世紀60年代，經過40年的研究和實踐，我國的鋼結構防火涂料無論是在產品品質、應用范疇以及生產產量方面都取得了很大進步，已經接近甚至達到了國際先進水平。鋼結構防火材料按照防火機理可以分為膨脹性和非膨脹性，根據使用范圍又可以分為室內型和室外型，根據分散介質不同可以分為溶劑型和水劑型，根據涂層厚度不同還可以分為厚涂型、薄涂型和超薄型，其中最常用的分類方式就是按照涂層厚度劃分，見表1。

表1 防火涂料按厚度分類

1．1 厚涂型鋼結構防火涂料

厚涂型鋼結構防火涂料又稱為鋼結構防火隔熱噴涂料，就是指防火涂層厚度相對較厚，一般的使用厚度在8 mm～50 mm之間，厚涂型鋼結構防火涂料的耐火極限最高可達3 h。厚涂型防火涂料在預熱后不會產生膨脹，并具有良好的不燃性和阻燃性，能夠有效吸收周圍環(huán)境中的熱能，延緩鋼結構溫度的升高。厚涂型防火涂料首先要選擇合適的無機粘結材料，將粘結劑、無機輕質絕熱材料、防火添加劑以及強度增強材料按照設計比例摻合，然后涂抹噴灑在鋼結構材料表面。厚型防火涂料的成分中含有大量的無機材料，而且涂料顆粒的密度較小，比表面積相對較大，熱導率較低，吸熱性能好，在火災中的防火穩(wěn)定性較好，具有良好的長期使用效果，與其他材料相比，厚型防火涂料的造價還相對較低。因此，厚涂型防火材料一般用在要求耐火極限大于2 h的鋼結構工程，考慮到其美觀性相對較差，多用于鋼結構建筑的隱蔽工程以及部分鋼結構工業(yè)廠房中。

1．2 薄涂型鋼結構防火涂料

薄涂型鋼結構防火涂料通常是指涂層厚度在3mm～7mm之間，具有一定的裝飾性和美觀性，預熱會產生膨脹的鋼結構防火涂料。在發(fā)生火災時，薄涂型防火涂料遇熱后自身會發(fā)生膨脹并發(fā)泡從而形成一層隔熱防火層保護鋼結構，延緩鋼結構溫度快速上升。這類防火涂料一般都具有一定的水溶性，在制備時應首先選擇合適的水性聚合物作為溶劑，然后將防火添加劑、阻燃劑、耐火纖維等材料混合在其中，在選擇溶劑時必須選取與鋼結構材料具有良好附著力的水性聚合物，在實際應用當中使用較多的水性聚合物主要有聚醋酸乙烯乳液、苯乙烯改性丙烯酸乳液、偏氯乙烯乳液等，這些材料同時也具有很好的耐水性和耐久性。薄涂型防火涂料中的添加劑和外摻材料通常是分散在溶劑中的，因此溶劑還要起到分散載體的作用，對于分散能力相對較差的溶劑還應加入適量的分散劑增加其分散介質的能力。在生產薄涂型防火涂料時首先要將各種添加劑及外摻材料分散在水中，將這些材料的混合料研磨成規(guī)定細度的料漿，然后再將料漿、水性聚合物、防火添加劑、阻燃劑、耐火纖維等混合攪拌均勻，最后添加適量的消泡劑，待其達到一定強度后噴涂在鋼結構表面。薄涂型鋼結構防火涂料在遇熱后會膨脹，自身的發(fā)泡厚度是原涂層厚度的幾十倍，能夠阻斷火焰直接對鋼結構加熱，對鋼材起到保護作用，其次，涂層膨脹、發(fā)泡等化學反應還會吸收周圍的熱量，有效降低周邊溫度，發(fā)泡分解出的不燃性氣體還能夠吸附燃燒所產生的自由基，減少可燃燒材料。薄涂型防火材料適用于耐火極限不超過2 h的鋼結構建筑，并且具有良好的裝飾性，在超薄型防火材料廣泛推廣前得到了大量應用。

1．3 超薄型鋼結構防火涂料

超薄型鋼結構防火材料最早是由德國科學家首先提出的，它的涂層厚度一般都小于3 mm，超薄型防火涂料的優(yōu)點就是涂料層薄、涂料用量少、成本相對較低，并且具有較好的防火能力和美觀性。超薄型防火涂料和薄涂型防火涂料一樣，在遇到高溫時能夠迅速在鋼結構材料表面產生一層輕質泡沫隔熱層，能夠有效減少周邊環(huán)境溫度對鋼材的影響，而且在涂料熔融軟化和發(fā)泡碳化的過程中都會吸收熱量，降低鋼材溫度。超薄型鋼結構防火涂料的主要組成成分包括基料樹脂、發(fā)泡劑、隔熱劑、阻燃劑、成碳催化劑和抑煙劑等，其生產工藝和薄涂型防火材料大致相同。配制超薄型鋼結構防火涂料時一般是以合成樹脂為基料，并使用有機溶劑作為稀釋劑，加入發(fā)泡劑、隔熱劑、阻燃劑、成碳催化劑和抑煙劑等材料，研磨加工至規(guī)定細度，制成后可直接涂抹在鋼結構表面使用。超薄型防火涂料一般直接噴涂在鋼結構表面，可根據實際要求，摻加一定的染料以起到裝飾的作用，多用在耐火極限不超過2 h的鋼結構建筑中，特別是大型鋼結構建筑的外側，能夠充分發(fā)揮它的裝飾性。超薄型鋼結構防火涂料作為防火涂料的后起之秀，具有十分廣闊的應用前景。

2 鋼結構防火涂料應用中的問題及解決辦法

2．1 防火涂料本身存在不足

近年來，隨著我國鋼結構產業(yè)的不斷發(fā)展，鋼結構防火涂料研究也取得了很大進步，但是目前市場上流通的各種鋼結構防火涂料還普遍存在一定的質量問題，與國外防火涂料市場還存在一定差距。比較明顯的一個問題就是涂料的環(huán)保問題，很多涂料在噴涂到建筑鋼材表面后并不穩(wěn)定，會揮發(fā)出一部分有毒氣體，對室內環(huán)境特別是大型鋼結構建筑空間內部造成嚴重的危害。在火災發(fā)生時，部分熱穩(wěn)定性不好的涂料也會產生NO2，NH3，CO等有害氣體，如果這些氣體在房間內的濃度過大，就會對室內人員的身體健康產生不利影響。防火涂料的質量檢驗標準一直是國內外專家長期研究的技術難題之一，目前大部分防火涂料的物理指標及性能檢驗標準都是在室內試驗的基礎上提出的，然而火災中的不可預測因素較多，因此必須加強對防火涂料質量和性能控制標準的研究，盡快對國內防火涂料市場進行規(guī)范，確保防火涂料具有較高的質量和效果。

2．2 在選用防火涂料品種方面存在誤區(qū)

鋼結構防火涂料按照不同的劃分標準可以分為不同的類型，不同的防火涂料具有不同的特點，其防火性能和適用范圍也大不相同。部分設計單位對防火涂料的了解甚少，不能正確的選取合理、安全、科學的防火涂料，甚至忽視了防火涂料耐火極限的重要性，還有一部分單位在選取時分不清室內防火涂料和室外防火涂料的區(qū)別，一味的為減小造價而選取對室內人員有害的涂料作為室內防火涂料。在防火涂料選取時，首先應全面了解工程對防火涂料的要求，然后根據市場上常見防火涂料的種類和性能選取符合規(guī)范要求的涂料使用，在施工前應做好室內試驗，對涂料的各項性能進行檢測驗證。

2．3 防火涂料厚度的確定方法不規(guī)范

鋼結構防火涂料要想滿足規(guī)范規(guī)定的耐火極限要求，除了選取合適的防火涂料以外，還要保證其具有足夠的厚度。目前對鋼結構防火涂料厚度并沒有一個規(guī)范、準確的方法，部分單位通過參照其他工程，或者按照涂料使用說明中的厚度來進行防火涂層設計，這一方法存在很大的安全隱患，還有部分單位沒有對設計厚度的防火涂層進行防火試驗驗證，缺乏必要的安全性。

要保證防火涂料能夠有效安全的對鋼結構起到防火隔熱效果，就必須選取合理的防火涂料類型，并通過防火試驗對設計層厚進行驗證。只有這樣才能排除不同升溫條件對防火涂料耐火極限的影響，保證其安全性、可靠性。

3 鋼結構防火涂料設計實例

3．1 工程概況

本文選用浙江省某印染廠的新建鋼結構廠房設計工程為例，簡要介紹鋼結構防火涂料的選擇、設計以及施工過程。該廠房建筑總面積約為15 000 m2，為四跨倒L形鋼結構建筑，廠房主要用于布料的染制及存放，根據《建筑設計防火規(guī)范》規(guī)定，布料屬于丙類火災危險性存儲物，故本工程的耐火等級按二級設計。根據規(guī)范中對單層二級耐火等級工用建筑結構承重構件的防火要求，柱的耐火極限為2．0 h，梁的耐火極限為1．5 h，采用的防火涂料設計必須滿足規(guī)范要求。

3．2 選擇防火涂料品種

根據規(guī)范對梁、柱的耐火極限要求以及工程經濟效益的綜合考慮，可以選用薄涂型鋼結構防火涂料或者超薄型鋼結構防火涂料。由于廠房地處海邊工業(yè)區(qū)，氣候潮濕，因此應優(yōu)先考慮選用耐久性更好的超薄型鋼結構防火涂料。

3．3 設計防火涂料厚度

鋼結構防火涂料的厚度與鋼結構的臨界溫度具有直接關系，火災中大部分的鋼結構材料都是因為達到了臨界溫度使其屈服強度降低而產生破壞的，因此要想確定涂料層的厚度就必須首先計算出鋼結構的臨界溫度。計算鋼結構臨界溫度可以通過分析鋼結構構件高溫下的力學性能經公式計算得出，也可以通過確定高溫下鋼結構構件的抗火性能參數查表得出，還可以通過鋼結構構件自身的升溫公式計算得出。

在本工程中采用通過分析鋼結構高溫下力學性能的方法計算出臨界溫度，計算公式如下:Td其中，Td為臨界溫度，℃;σ0為屈服強度，MPa，針對不同受力構件計算公式不同。1)軸心受壓構件。其中，N為軸心壓力，kN;φ為整體穩(wěn)定系數;A為截面形狀系數。2)受彎構件。其中，MX，MY為繞 X，Y 軸彎矩，MPa;γX，γY為截面塑性發(fā)展系數;WX，WY為凈截面模量。通過上述公式計算出鋼結構廠房柱、梁的臨界溫度，經計算梁的最不利臨界溫度為541℃，柱的最不利臨界溫度為573℃，最后選取該鋼結構廠房的臨界溫度為541℃。求得臨界溫度后，即可以通過公式計算出防火涂層的設計厚度，公式如下:

其中，di為涂層設計厚度，mm;λi為等效熱傳導系數;Td為臨界溫度，℃;t為耐火極限時間，h;Fi為單位長度構件的受火面積，m2/m;V為單位長度構件的體積，m3/m。將計算得出的臨界溫度代入上公式，經計算得超薄型鋼結構防火涂料的設計層厚為2．27 mm。通過室內性能試驗對設計厚度進行驗證，經驗證2．27 mm設計厚度滿足要求，可以采用。

3．4 鋼結構防火涂料施工

首先對鋼結構構件表面進行除塵、除銹，因環(huán)境潮濕，可以考慮在構件表面涂抹防銹漆，清理完畢后涂刷防火涂料，分多層進行涂刷，每層涂刷厚度為0．4 mm，每層的作業(yè)間隔時間不小于12 h，并保證良好的通風條件。監(jiān)督人員必須嚴格控制施工質量，確?，F場施工符合規(guī)范和設計要求，保證防火涂層能夠有效的保護鋼結構構件。

4 結語

隨著鋼結構建筑的技術創(chuàng)新和不斷推廣，鋼結構防火涂料的應用前景將越來越廣闊，對于當前鋼結構防火涂料市場中存在的問題，我們必須認真對待，嚴格按照規(guī)范要求進行設計、施工。對于新型鋼結構防火涂料的研究是提高鋼結構耐火極限、加強鋼結構建筑防火能力的有效途徑，我們要勇于借鑒、刻苦鉆研，積極研發(fā)性能優(yōu)良的防火涂料，更好地保護國家和人民群眾的生命財產安全。

［1］王廣乾，李正建．談防火涂料在鋼結構建筑中的應用［J］．工程建設與設計，2012(7):140-143．

［2］李 風．鋼結構防火涂料的性能測試方法和配方設計研究［J］．涂料工業(yè)，2010(2):45-47．

［3］張雪芹．建筑鋼結構防火涂料的研究及選型設計［J］．裝飾裝修材料，2003(10):53-56．

［4］GB/T 50016-2006，建筑設計防火規(guī)范［S］．